TMCの構造

Nature volume 610、pages 796–803 (2022)この記事を引用

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メトリクスの詳細

哺乳類の聴覚と平衡感覚を支える感覚伝達経路の最初のステップには、力を機械感覚伝達チャネルのゲートに変換することが含まれます1。 聴覚障害が社会経済的に与える深刻な影響と、機械感覚伝達を理解することの基本的な生物学的重要性にもかかわらず、機械感覚伝達複合体の組成、構造、メカニズムは十分に特徴づけられていないままです。 今回我々は、Caenorhabditis elegansから単離した天然の膜貫通チャネル様タンパク質1（TMC-1）機械感覚伝達複合体の単粒子クライオ電子顕微鏡構造を報告する。 この二重対称複合体は、孔形成 TMC-1 サブユニット、カルシウム結合タンパク質 CALM-1、および膜貫通内耳タンパク質 TMIE のそれぞれ 2 コピーで構成されています。 CALM-1はTMC-1サブユニットの細胞質面と広範囲に接触しますが、シングルパスTMIEサブユニットは複合体の周囲に存在し、アコーディオンのハンドルのように構えています。 複合体のサブセットには、CALM-1 サブユニットに結合した単一のアレスチン様タンパク質、アレスチン ドメイン タンパク質 (ARRD-6) がさらに含まれています。 単一粒子の再構成と分子動力学シミュレーションは、機械感覚伝達複合体が膜二重層をどのように変形させるかを示し、機械力がイオンチャネルゲートに伝達される機構における脂質とタンパク質の相互作用の重要な役割を示唆しています。

聴覚系は、振動機械エネルギーを膜電位脱分極に変換し、その後高次脳中枢で信号処理することにより、広範囲の音響波の周波数と振幅を検出する驚くべき能力を備えており、これにより音の感覚が可能になります1。 外傷、環境攻撃、または遺伝子変異による聴覚系の機能不全は、加齢に伴う難聴と関連しています。 世界中で 4 億 6,000 万人以上が聴覚障害と難聴に悩まされており、難聴を治療しないと年間 7,500 ～ 7,900 億米ドルの費用がかかると推定されています。 聴覚および密接に関連する前庭系への入力は、他の感覚系と同様に、末梢ニューロンの受容体活性化によって開始されます。 数十年にわたる熱心な研究にもかかわらず、機械感覚伝達の受容体である機械感覚伝達（MT）複合体の分子組成、構造、機構は未解決のままです。

ヒトおよびマウス、ゼブラフィッシュ、C.エレガンスなどのモデル生物での研究から得られた複数の研究により、MT複合体を形成するタンパク質とその機能におけるそれらの考えられる役割が明らかになりました2。 これらには、有毛細胞において、不動毛の変位に由来する力を、MT複合体のイオンチャネル構成要素の開口部に伝達する、ティップリンクタンパク質、プロトカドヘリン-15およびカドヘリン-23が含まれる3,4。 TMC-1 と TMC-2 は、MT 複合体の細孔形成サブユニットである可能性が高く、ヒトの遺伝子研究で最初に注目を集めた候補 5 であり、最近では生物物理学的および生化学的研究によりイオン伝導経路として注目を集めています 6,7,8 。 追加のタンパク質（一部は補助サブユニットである可能性があります）は、MT複合体の生合成または機能のいずれかに関連しており、TMIE9、10、11、Ca2+およびインテグリン結合タンパク質212、13、14（CIB2）、脂肪腫HMGIC融合体が含まれます。プロテイン 515、16、17 (LHFPL5)、膜貫通 O-メチルトランスフェラーゼ 18、19 (TOMT)、そしておそらくアンキリン 13 など。

脊椎動物源からのMT複合体の単離や、組換え法による機能的複合体の作製は、これまでのところ成功していないことが証明されている。 天然源からの複合体の精製は、動物あたりの複合体の数が少なく、哺乳動物の蝸牛あたり約 3 × 106 個と推定されている 20 ため、特に困難です。これは、視覚系の光受容体の数（片目あたり約 4 × 1014 個）と比較して少ないためです。マウス21で。 脊椎動物のMT複合体の利用可能性に関する課題を克服するために、我々は、触覚刺激を感知するためにMT複合体を利用する動物であるC.エレガンスに注目した。 まず、線虫が、CALM-1 として知られる CIB2 ホモログや TMIE13 に加えて、TMC-1 および TMC-2 タンパク質を含む脊椎動物の MT 複合体の重要な構成要素を発現していることに注目します。 第二に、TMC-1 を持たない線虫は、軽い接触反応が減衰します 13。 第三に、C.エレガンスにおけるTMCタンパク質の発現は限られているにもかかわらず、構造研究に十分な複合体を単離するのに十分な数の線虫を増殖させることが可能である。 そこで、蛍光レポーターとアフィニティータグを組み込むことで C. elegans tmc-1 遺伝子座を改変し、動物全体の蛍光および蛍光検出サイズ排除クロマトグラフィー (FSEC)22 を介して発現をモニタリングし、TMC を単離できるようにしました。アフィニティークロマトグラフィーによる -1 複合体。 計算機による研究と合わせて、複合体の組成、構造、膜相互作用を解明し、タンパク質の直接相互作用と膜二重層を介したイオンチャネル細孔の開閉機構を示唆しました。